令和元年度地熱統括部事業成果報告会

坑井近傍探査技術の開発

内容

断裂系探査における稠密VSP観測への期待

DAS-VSP法実証試験

今後の課題

まとめ

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断裂系探査における稠密VSP観測への期待

亀裂有無の差異Z成分（DAS記録相当）

×10-15 ×10-17

振幅は極めて微弱

1) 断裂帯モデルとスナップショット

2) 稠密VSP記録

等方モデルとの差異（S波異方性パラメータの寄与）

Z成分（DAS記録相当）

γ：0.61854090（村井1999）θ：75 (TTI)

異方性に起因する振幅値の変化

断裂帯と関連する反射波・変換波

P波初動

S波初動

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PS変換波の振幅は開口性の多寡を反映 回折波・変換波の発生を確認 ただし振幅は極めて微弱

1. 断層帯周辺 2.開口型亀裂

d=5m

2) 稠密VSP記録

1) 断裂帯モデルとスナップショット

Time

Silixa社パンフレットより引用

DAS-VSP法

DAS を坑井内受振器として設置。地表より発振を行う弾性波探査（VSP）においてこれを利用する調査法。

耐熱性の高い光ファイバケーブルを使用することで、地熱井近傍の稠密VSP観測が可能となる。

VSP: Vertical Seismic ProfilingSSP: Surface Seismic Profiling

速度構造推定範囲

3次元VSPイメージング範囲

3次元SSPイメージング範囲

光ファイバケーブル

分布型光ファイバセンサを利用した坑井近傍探査

光ファイバケーブルをセンサとして利用し、温度や振動の計測を数10cm～数m 間隔で行う。

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• 温度： Distributed Temperature Sensing (DTS)• 音響： Distributed Acoustic Sensing (DAS)

分布型光ファイバセンサ

DAS-VSP実証試験：地質構造と観測点配置

大霧発電所の休止井に光ファイバセンサを設置

VSP / 夜間連続観測（モニタリング）を通して断裂からの弾性波応答を観測

地表弾性波探査（SSP）の反射法記録との比較を実施

霧島溶結凝灰岩

四万十層群

光ファイバセンサ設置区間

北西 南東

えびの層群・飯野溶岩

牧園溶岩

佐賀利溶岩

古期白鳥溶岩

2,143m

地質構造と測線配置図

5500m

• ENE-WSW、NW-SE方向の断層およびリニアメントが顕著• 噴気・温泉・変質体等の地表地熱兆候も両方向の断裂に規制

約 2 m 間隔で1050 の受振点を設定

DAS-VSPの作業工程

作業期間► 2019年12月14日～26日

► 13日間

主な作業► 地表観測装置設置

► 坑内観測装置設置

► DTS/DAS夜間連続観測

► DAS-VSP計測(発振作業）

► 撤収・原状回復

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坑井内観測装置

機 種 種 別 製 造 元 仕 様

ウインチ

ユニットキャピラリー チューブ用ウインチ

（ 株） 物理計測コンサルタント

電動式チェーンドライブ巻上速度：0～20 m/min

ケーブル

光フ ァイバ入りキャピラリー チューブ(DNS-5681)

AFL

外径：1/4" (6.35 mm)

破断強度：9,490 N (967 kgf)

耐熱：300℃

光ファイバ：マルチモード (MM) 1本シングルモード (SM) 1本

MM：3.2/1.4 dB/km @ 850/1,300 nm

SM：0.82 dB/km @ 1,550 nm

弾性波

測定機

光フ ァイバ分 布型音響セン シング装置(iDAS)

Silixa

サンプリング周波数：1 kHz ～ 100 kHz

周波数レンジ：0.01 Hz ～ 50 kHz

最大測定範囲：40 km

空間分解能：1 m

ゲージ長：10 m

光ファイバ：SM, MM

温度

測定機

光フ ァイバ分 布型温 度計測装置(DTSX-200)

横河電機（株）

測定方法：シングルエンド方式測定距離：6,000 m

温度測定範囲：-200～800 ℃

サンプリング分解能：0.1～1 m

温度精度：±1.0 ℃

光ファイバ：MM

7坑井内測定用機材一覧 坑内ツール編成図

坑井作業模式図

光ファイバケーブル断面模式図

DAS-VSP 作業場風景： サイト外観

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ワイヤーライン降下作業

観測ハウス

SSP観測車

DASインテロゲータ

DAS-VSP 作業場風景： ケーブル設置作業

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シンカーバー

坑口弁の開放

ケーブル固定後はラインワイパーを閉じ、ケーブルガイドを設置

ラインワイパー

DTS温度の空間的変化

DTS温度 空間一次微分（坑跡沿いの温度勾配）

空間二次微分（温度勾配の変化率）

飽和蒸気

Feed point

地下水面

沸騰曲線に沿った温度勾配変化

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定常的な温度勾配急変部= 坑井流入点または岩相（地層熱伝導率）変化

温度勾配急変部

【12月18日 18：00 ~ 12月19日12：00 @ 30分間隔（37回）】

DAS / DTS 連続観測記録例

DAS連続記録（モニタリング）例0 30

[s]

DTS

FZ1

FZ2

dTzz[℃/m2]

DTS[℃]

dTz[℃/m]

0 0 125

0.2 2 240

-0.2 -2 10

4sec（境界面のゆらぎ）

Low

High

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（左）ある30秒間のDAS連続記録 （右）30分間隔37回分のDTS記録とその空間微分。坑井内の様々な音は、温度プロファイルのからその意味を読み取ることができる。

沸騰区間

飽和蒸気の充満

地下水面

沸騰と関連しない振動

dTz : DTS記録の空間一次微分（温度勾配）dTzz: DTS記録の空間二次微分

Dep

th

温度の急変部 音源（流出点を示唆）

温度勾配急変部

【同時間帯参考記録】霧島山火山観測点の1時間記録

防災科学技術研究所 基盤的火山観測網記録を使用

Tim

e (s

)夜間自然地震観測例

a) 地表記録

c) DAS記録

b) 測線図Location

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対応するイベント

DAS-VSP 調査仕様

【坑井内受振仕様：DAS】

受振点数： 1,050 ch

ケーブル： 光ファイバ入りキャピラリーチューブ

坑内ケーブル長： 2,143 m

受振点間隔： 約2 m

インテロゲータ： iDAS （Silixa 製）

【地表受振仕様：SSP】

受振点数： 778 ch

受振器： SM-5（固有周波数5Hz）

総測線長： 19,450 m

受振点間隔: 25 m（標準）

探鉱器： Sercel 428XL / Unite 1ch

【発振仕様】

振源： 大型バイブレータ2台

発振点数： 314点

Sweep周波数： 6 - 60 Hz（リニアスウィープ）

Sweep 長： 21 秒

発振点間隔： 50 m （標準）

Sweep 長： 21 秒 起振車 SSP独立式探鉱器Unite有線ケーブル

充填ジェル

光ファイバー

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DAS-VSP 作業場風景： 観測ハウスモニター画面

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SSP発振記録

DAS-VSP発振記録

モニター記録

DAS-VSP発振記録例

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振 源： 大型バイブレータ2台（Low force）Sweep周波数： 6-60Hz

垂直重合 ： ダイバーシティスタック表示方法 ： TSGM

DAS-VSP/SSP データ暫定処理フロー

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• 取得データの品質確認を目的としてデータ取得直後に実施

フォーマット変換

ダイバーシティスタック

ジオメトリセット

最小位相変換初動読み

屈折初動トモグラフィー

突発ノイズ/ランダムノイズ/

リニアノイズ抑制

振幅補償

Surface

Consistent

デコンボリューション

CMP sort

浮動基準面への静補正

SSP

Data

Post-Stack

Depth Migration

統合表示

アングルミュート

DAS-VSPData

フォーマット変換

ジオメトリセット

最小位相変換初動読み1次元速度構造推定

振幅補償

ランダムノイズ/リニアノイズ抑制

波動場分離

Pre-Stack Depth Migration

Deconvolution突発ノイズ抑制 /

ダイバーシティスタック

コモンノイズ抑制1回目

コモンノイズ抑制2回目

DAS-VSP 地表反射法

DAS-VSP法実証試験データ暫定処理結果

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反射法断面（SSP）

2020/03/13 時点の暫定データ処理結果

国土地理院数値地図に基づく曲率マップコンタ―： 等高線カラー： 曲率最小値

-0.007 0.0015

凸凹

Amplitude

DAS-VSP法実証試験データ暫定処理結果

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反射法断面（DAS-VSP）

2020/03/13 時点の暫定データ処理結果Amplitude

DAS-VSP法実証試験データ暫定処理結果

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反射法断面（DAS-VSP + SSP透過表示）

2020/03/13 時点の暫定データ処理結果Amplitude

透過率：25％

DAS-VSP記録は断層

面からの反射波を良く捉えている。

DAS-VSP法実証試験データ暫定処理結果

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反射法断面（DAS-VSP + SSP透過表示）

2020/03/13 時点の暫定データ処理結果Amplitude

透過率：50％

DAS-VSP記録は断層

面からの反射波を良く捉えている。

DAS-VSP法実証試験データ暫定処理結果

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反射法断面（DAS-VSP + SSP）

P波区間速度分布（SSP）

2020/03/13 時点の暫定データ処理結果Velocity [m/s]

断層を介して速度が変化する状況が読み取れる

DAS-VSP法実証試験データ暫定処理結果

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反射法断面（DAS-VSP + SSP）

検層記録（左）温度勾配（DTS）

（右）温度（DTS)

P波区間速度分布（SSP）

2020/03/13 時点の暫定データ処理結果

+-

HL

Velocity [m/s]

沸騰区間下限深度

飽和蒸気上限深度

水頭面深度

DAS-VSP法実証試験データ暫定処理結果

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反射法断面（DAS-VSP + SSP）

P波区間速度分布（SSP）

検層記録（左）温度勾配（DTS）

（右） P波区間速度（DAS-VSP)

2020/03/13 時点の暫定データ処理結果

+-

Velocity [m/s]

1000 5000 m/s

沸騰区間底面深度

飽和蒸気上面深度

水頭面深度

低速度区間は飽和蒸気区間+

沸騰区間と一致し、反射法記録には上面と下面に強反射面を確認できる。

DAS-VSP

SSPSSP

反射法断面比較

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【DAS-VSP反射法記録の特徴】• SSPに対し高分解能• 断層面からの反射波を捕捉

断層面からの反射波

DAS-VSP

SSP

透過表示

今後の課題：坑井近傍の開口型断裂評価

期待の技術

下方進行反射波を利用したイメージング

平面波抑制フィルタ＋共通反射面重合法（CRS法)

坑井内-地表観測データ同時FWI解析

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精度の高い速度抽出とイメージ解像度の向上

検出結果DAS 原記録

2. 亀裂・断裂兆候の検出

3. 波形情報を利用した速度モデル推定

1.高傾斜断層面の可視化

【適用例：H30野外実験(木地山）の例】回折波・変換波イベント

Dep

th

Dep

th

CIP ギャザーTomography同時FWI

(DAS+SSP)

まとめ

DAS-VSPデータ収録を完了

► 暫定的なデータ処理を実施し、高分解能な記録を確認

► 令和2年度に詳細解析予定

今後の課題「坑井近傍探査の開口型断裂評価」

► 高傾斜断層面の可視化

• 下方進行反射波を利用したイメージング

► 亀裂・断裂兆候の検出

• 平面波抑制フィルタ＋CRSによる回折波・変換波の抽出・強調

► 波形情報を利用した高精度速度モデル推定

• 坑井内-地表観測データ同時FWI解析

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謝辞

本調査の計画・実施に際しては、多数の方々から多大なご協力を頂いております。ここに記して感謝の意を表します。

近隣住民の皆様

農業組合法人 霧島第一牧場

霧島市

姶良郡湧水町

姶良・伊佐地域振興局

鹿児島森林管理署

九州電力株式会社

日鉄鉱業株式会社

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参考文献

新エネルギー・産業技術総合開発機構（1997）:地熱探査技術等検証調査 断裂型貯留層探査法開発 研究開発成果 総括報告書, 弾性波利用探査法開発, 5.

実証実験2（大霧地区）101-138.

髙山純一・田中俊昭・糸井龍一（2017）：トレーサー試験における大霧地区地熱貯留層の水理構造特性評価, 日本地熱学会誌, 39(3), 129-140.

村井芳夫（1999）: 断層破砕帯の反射係数の波数依存性, 日本地震学会1999秋季大会講演予稿集, 118.

Nihei, K.T., Nakagawa, S., Myer, L.R.(2000): VSP fracture imaging with elastic

reverse-time migration, SEG 2000 Expanded Abstracts.

【ウェブサイト】

㈱物理計測コンサルタント, “地熱井モニタリング”,

https://www.gsct.co.jp/works/geothermal-well-monitoring.html

防災科学研究所, “基盤的火山観測網”, https://www.vnet.bosai.go.jp/

Silixa, “What is distributed sensing?”, https://silixa.com/resources/what-is-

distributed-sensing/

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